在智能手机中实现USB 2.0端口共享

    移动设备需要许多信号处理集成电路(IC)以满足用户各种不同的功能要求。典型的智能手机包含一个通信处理器、一个应用处理器和一个功率管理IC，它们都必需共享单个USB端口，并以480Mbps的高速USB数据速率进行通信。本文专门介绍一些能够解决该问题的方案，并对从USB集线器到简单模拟开关的各种不同解决方案进行比较。

智能手机的一种设计方式是让内部的功率管理器件来控制单个USB2.0端口，这可以通过采用一个3:1的多路复用USB开关把USB 2.0端口转向自身来完成。默认情况下，其也可转向应用处理器，用来实现大多数多媒体功能性(比如MP3播放或视频处理)。还可转向通信处理器，用于无线电通信，可实现数据访问或通话(见图1)。这种架构具有一种优势，即当功能未使用时，允许手机进入睡眠状态。此外，在检测到USB 2.0端口活动时，或者是任一个处理器需要使用USB端口时，功率管理单元可以唤醒相关处理器。在USB插口首次插入后，功率管理IC还可以询问USB线路，确定是否有专用USB充电器或充电主设备端口连接，以便通过VBUS信号直接给电池充电。当与USB主设备(如PC)通信时，通信和应用处理器内的物理层(PHY)使用USB开关的480Mbps全高速数据带宽。

图1：用于共享一个USB 2.0端口的多路复用USB 2.0开关。

4G手机的最新趋势是在手机中集成两个处理元件，同时访问USB端口。对于这种应用，一个比较好的选择是采用集线器。不过麻烦在于USB集线器的接线通常是电容性的，功耗相当大；而另一方面，同时访问USB端口的机会又不多。图2所示为这种手机的一种设计方法，其中，3G通信处理器必需与4G处理器分开来单独访问USB端口。通过一个隔离开关(FSUSB31)，并采用极短的PCB引线，可以尽量减小电容。这样一来，在从3G通信处理器到USB主设备的路径上，一个高速发射USB数据眼(data eye)与USB规范相比有很大的裕量。在这个例子中，应用处理器控制USB 3:1多路复用开关，当后者在待机模式下处于低电状态时，它可以让自己的控制线路上的上拉和下拉电阻连接到默认的应用处理器。

图2：多路复用USB 2.0开关和带隔离开关的集线器应用。

上述功能可通过开关来实现，上电时其功耗极小，禁用时功耗几乎为零。在图2所示的4G手机应用中，FSUSB63始终上电，耗电量只有几微安。同时，在图1所示的应用中，当功率管理IC在待机模式下关断FSUSB63时，其耗电量降至1微安以下。

对于大多数集成电路而言，高速和低功耗一般是一对相互矛盾的特性。能够两者兼具的解决方案常常需要降低电压，并使用精细的几何工艺尺寸；然而，USB规范要求的是高电压信号。在性能稳健的手机设计中，D+和D-信号能够承受至5V VBUS信号线的短路，故限制了低电压解决方案。不过，最近推出的低功耗电荷泵USB开关解决了这个问题，并满足严苛的USB发射眼图要求，如图3所示。事实上，无需对架构或所选器件做任何修改，大多数这类设计的工作速率就能够达到高速USB数据速率(> 1 Gbps)的两倍以上。

图3：高速USB 2.0发射眼图。

要通过USB开关从一个处理器切换到另一个处理器，首先需要断开所有路径，然后留有足够的时间，以确保USB主设备端口控制器能够识别出某个断开，并切换到其它路径；这样，可以允许主设备复位，并对新的USB设备进行重新设置。这一切都是采用软件在手机上完成，并需要软件工程师参与，根据所选硬件的限制条件编写软件。不过，目前较先进的USB开关允许更多地使用便携式设备软件，故前面提到的方式正逐渐被淘汰。这是因为这些USB开关的选择控制信号发生任何变化，都会在一段预定的时间内自动启动断开连接。该时间由USB 2.0高速规范决定，以便于USB主设备识别断开，然后内部产生新的连接。

如上所述，对大多数便携式设备来说，节能是至关重要的，故处理器的电源电压常常降至1.2V或更低。因此，在与直接依赖电池供电的较高电压设备连接时，即使输入端电压较低，电池的耗电量也相当可观。减小耗电量的方法之一是采用电压转换器。由于USB开关本身是一个很慢的过程，通过基于最低供电电压来设置输入阈值，这些USB开关在这类环境下的耗电量小得可忽略不计。此外，还设计有输入缓冲器，以便在最坏的电压差情况下实现节能，以大大减轻系统设计人员的工作强度。

图4：采用单个USB端口的音频耳机。

对于更小的便携式设备，印制电路板(PCB)上的占位空间和成本始终是重要考虑因素。目前USB开关可在微型封装中设计实现，引脚间距仅0.4mm，其在PCB上的占位面积非常小，故而远远胜过那些带有专用于USB连接的适配器(Dongle)的大尺寸专有连接器。此外，这种开关的成本也远低于USB集线器。

有时候，需要把USB开关级联起来，在这种应用中，侧负载(side loading controller)控制器使用媒体传输协议(Media Transfer Protocol)，可以从主PC下载电影到SD存储卡里，而不会给智能手机中的应用处理器造成负担。这时，要确保高速USB流量对最快下载速度可行，USB开关关断(OFF)状态下的电容至为关键。最先进的USB开关OFF电容相当低(一般为2pF)，这就允许在手机设计的最后阶段添加多个开关，从而为智能手机增加新的功能。

为了尽量减少智能手机上连接器的数量，除了高速和/或全速USB之外，USB端口有时被设计为附着在模拟音频耳机上。特殊的USB开关利用通过USB连接器的VBUS信号发送的耳机麦克风信号来满足这种需求，同时D+和D-信号被分别发送给耳机的左右扬声器信号。以USB开关FSA800为例，在插入之后，它会判断该USB端口是否为一个采用USB电池充电规范算法的USB充电器。这就允许处理器根据USB连接器的ID引脚信号状态来控制开关路径选择。其它USB开关利用ID引脚来检测和自动切换配置，并能够帮助实现大量各种各样的复杂附件功能，包括：范围广泛的配件，比如非常特殊的工厂测试线缆，其可利用现有工厂测试装置来获得最大的测试成本效益；非常具有特色的音乐播放耳机，配备有MP3播放所需的全部遥控按键；以及FM无线电收音机、或无杂音(click-and-pop free)拨打/接听电话，在不同功能之间可无缝切换。

当今的智能手机利用高速USB开关实现了巨大的功能，同时还使手机减小到一个很小的micro-USB高速端口连接器的厚度。如果需要USB同时与多种设备通讯，这种USB端口可被连接到应用处理器、通信处理器、USB集线器、音频驱动器和众多其它速率较低的必需功能。这种功能性的实现得益于最新USB开关中内置有先进电路，同时又不会对功耗、PCB芯片面积和成本有不良影响。此外，它同时还提供USB充电器检测功能，从而有利于全球推动向适用于所有便携式设备的通用USB充电器的发展。